機(jī)械臂快被科學(xué)家玩壞了。

用一包薯片逗逗機(jī)械臂，你別說(shuō)，動(dòng)作還挺“絲滑”：

在它面前放一個(gè)紙板，不僅能夠迅速識(shí)別，還玩起了“你逃我追”得；

再來(lái)抓一個(gè)氣球試試：

自動(dòng)根據(jù)物體形狀調(diào)整抓取方式，力道也很輕柔，氣球完全沒(méi)有因此受到擠壓。

這是日本東京大學(xué)開(kāi)發(fā)得一款能夠自主跟蹤物體和夾持得機(jī)械臂，雖然目前自動(dòng)機(jī)械臂已經(jīng)很常見(jiàn)，但大多數(shù)使用視覺(jué)傳感器來(lái)規(guī)劃抓取位置，并使用觸覺(jué)傳感器來(lái)檢測(cè)與物體得實(shí)際接觸。

然而，視覺(jué)傳感器存在測(cè)量位置誤差和遮擋得問(wèn)題，觸覺(jué)傳感器在與該物體接觸之前無(wú)法檢測(cè)到該物體。這些問(wèn)題導(dǎo)致了物體位置信息得不確定性，而這種不確定性使得物體難以進(jìn)行高速、可靠得抓取。

為了改進(jìn)這種不確定性，東京大學(xué)開(kāi)發(fā)得機(jī)械臂使用了高速接近式傳感器，可以在 1毫秒內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量物體得位置，進(jìn)行高速跟蹤和抓取，同時(shí)非接觸得測(cè)量方式不會(huì)破壞物體。

▍不到1毫秒高速響應(yīng)

首先來(lái)介紹一下什么是接近式傳感器。

這是一種短距離傳感器，可在深度方向上擴(kuò)展觸覺(jué)感應(yīng)，它包括很多種類(lèi)型，例如光學(xué)、聲音以及靜電電容等，和其他兩種傳感器相比，光學(xué)傳感器得體積小、陣列得指向性設(shè)計(jì)也更容易。

然而，它也有個(gè)bug，普通得光學(xué)傳感器拿黑色或透明得物體沒(méi)辦法，而且如果傳感器表面變臟，會(huì)影響測(cè)量精度。為此，研究人員提出了一種電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接近傳感器（RNSPS））和使用主動(dòng)傳感在 1ms 內(nèi)測(cè)量位置得反射率估計(jì)方法。

這是一個(gè)3×3得探測(cè)器矩陣，每個(gè)探測(cè)器都是一個(gè)光反射器，由一個(gè) LED 和一個(gè)光電晶體管組成，光電流根據(jù)到物體表面得距離流過(guò)每個(gè)探測(cè)器，并且在電阻網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生電流分布，當(dāng)有來(lái)自物體表面得反射光且反射率分布均勻時(shí)，傳感器可以檢測(cè)到物體表面得傾斜度和距離。

大多數(shù)市售接近傳感器得測(cè)量時(shí)間約為 7 到100 毫秒，這個(gè)測(cè)量時(shí)間對(duì)于高速反應(yīng)抓取來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了，而電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接近傳感器采用了模擬電路，輸出響應(yīng)時(shí)間很快（<1ms）。

▍手、臂一體化控制

傳感器得距離與傾斜監(jiān)測(cè)只是其中之一，接下來(lái)就是要讓輸出信號(hào)用于機(jī)械臂得控制。

機(jī)械臂由指尖和手臂組成，為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和柔順抓取，研究人員建立了指尖控制方程，指尖得控制由關(guān)節(jié)角度表示，接近式傳感器得輸出作為指尖與物體表面保持得目標(biāo)值，每個(gè)關(guān)節(jié)角度由P控制獨(dú)立控制。

在手臂控制器中，根據(jù)傳感器輸出和控制器確定得手部臨時(shí)關(guān)節(jié)角度來(lái)控制6 自由度位置和姿勢(shì)，指尖和手臂可以移動(dòng)到合適得抓握位置，由于兩個(gè)控制器并行執(zhí)行，抓握形式可以根據(jù)被抓物體得形狀同時(shí)調(diào)整，并且可在0.18秒內(nèi)高速校正指尖與物體表面得姿態(tài)和距離誤差。

控制系統(tǒng)得硬件由PC和實(shí)時(shí)控制器dSPACE組成，PC 用于程序開(kāi)發(fā)和非實(shí)時(shí)傳感器值和參數(shù)監(jiān)控。dSPACE 在 0.1 ms 周期內(nèi)對(duì)傳感器輸出進(jìn)行采樣，并在5.0 ms 周期內(nèi)將命令值發(fā)送到機(jī)械臂得電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

▍有待提高：對(duì)于小得、尖銳得物體有點(diǎn)頭疼

這項(xiàng)研究發(fā)表在《TheInternational Journal of Robotics Research》（國(guó)際機(jī)器人研究）雜志中，文章標(biāo)題為：Integrated control of amultiple-degree-of freedom hand and arm using a reactive architecture based onhigh-speed proximity sensing（使用基于高速接近感應(yīng)得反應(yīng)式架構(gòu)對(duì)多自由度手和手臂進(jìn)行集成控制）。

該機(jī)械臂對(duì)于薯片、本子或者蘋(píng)果等中等大小得物品具有很好得跟蹤和柔順抓取性能，但要是遇到體積很小得，或者形狀尖銳得物體還是有些手足無(wú)措。

因?yàn)檫@種物體表面與傳感器尺寸相對(duì)較小，并且反射率不均勻，會(huì)使傳感器得測(cè)量精度變低，另一個(gè)問(wèn)題是手部控制器中得目標(biāo)值需要一個(gè)合適得初始值，為了正確調(diào)整這些物體得位置和姿勢(shì)，需要對(duì)傳感器得性能進(jìn)行改善與提高，以高速、高精度地測(cè)量較小得目標(biāo)物體得面積。